智能家居无线网络的关键技术研究和系统设计

伍巍

摘要：随着人们家居观念的改变，智能家居成为必然的发展趋势。低成本、低功耗、易于维护、稳定性好的智能家居控制系统的研发和自动控制、计算机和通信等多个领域有关。家庭联网模式直接关系到智能家居控制系统的灵活性。本文结合ZigBee技术和iOS系统设计了智能家居无线网络系统。

关键词：ZigBee;智能家居;无线网络

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）26-0153-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

智能家居网关最初是由工业论坛组织定义的。它表示一个集中式智能接口，该接口将外部网络连接到家庭并连接家庭的内部网络。实际上它是整个家庭网络的简单，智能，标准化和灵活的接口单元，能接收各种外网的通信信号，然后经由家庭网络将其发送到各种家居设备。为了实现远程监控家庭状态和家居终端的交互操作，联网和对家庭网络的访问是核心问题。ZigBee技术是一种新型的短距离，低功耗，低成本的无线传感器网络技术，适用于家庭、楼宇自动化、工业控制、医疗等领域的应用，是介于无线标签、蓝牙之间的一种技术解决方案，具有自己的无线标准，可以协调许多小型传感器之间的信息传输。在未来，智能家居可用无线网络通信技术来形成自己的网络，所有智能家居设备均使用统一的通信协议连接到Internet，可以通过移动电话和计算机监控家庭中的各种设备，并真正实现家用电器的计算机化和联网，可以实现功耗更低，尺寸更小，价格更低的控制模式，使普通家庭可以购买和使用。

1 系统结构

通过对现有的智能家居控制系统开展对比分析，根据其发展趋势制定相关的设计原则和规范，基于iOS平台设计智能家居系统，由无线传感器网络、智能网关、路由器和家用电器网络组成，智能家居无线网络系统框架如图1所示。

本次智能家居控制系统设计分为两部分：硬件设计和软件设计。

硬件：WiFi模块采用的芯片是RT8800，ZigBee通信模块选用CC2530单片机，构建家庭内网，实现基于串行端口的数据交换[9]。智能家居的全部通信均由控制网关转发。控制网关、手机等终端经由WiFi接入网络，进行信息交互和远程控制。

软件：将iOS作为终端系统，提供多功能控制界面，软件设计包括界面、通信等部分的设计，设计目标是提供最切合用户需求的控制软件系统，使用户可以通过控制软件控制家庭中的电气设备。

在家庭内部，网络基于ZigBee星型拓扑网络构建，烟雾、湿度、温度等各种传感器，传感器等节点基于ZigBee CC2350模块运行[10]。在系统运行时，传感器通过ZigBee模块将提供收集的设备状态信息发送到智能控制网关，经过相应的运算分析，并将分析结果反馈给移动终端，实时呈现家庭环境状态信息，实现自动控制家用电器。

2 硬件设计

2.1 主处理器的选用

该系统主要作用是控制家用电器并提供报警功能，处理的数据量很小，考虑到成本，选取8051单片机作为主处理器，连接到主处理器的ZigBee芯片cc2430还集成了可以起到辅助处理作用的MCU。每个ZigBee节点都有一个MCU，因此主处理器可以调整和处理简单的数据量信息功能，完全满足设计需求。

2.2控制网关设计

控制网关是智能家居控制系统重要组成部分，是家庭内外网络之间的通信桥梁，主要负责数据交换和协议转换。设计时应该遵循低功耗、高可靠性、小尺寸、安全和易于系统升级的标准，图2为控制网关硬件框架。

在家庭外部，WiFi经由RS232接口将家庭网络接入本地无线LAN，以便远程控制家庭终端设备。智能家居控制网关通过Internet与远程服务器连接，移动终端通过移动网络与家庭智能网关互联以获取有关家庭电器设备的实时状态，远程控制家庭电气设备。

控制网关通过串行端口与ZigBee模块连接，进行WIFI、ZigBee的信号转换。WiFi模块发送数据。 ZigBee无线模块提供传感器数据以及进行控制信号收发。

2.2.1 WiFi模块设计

本文使用台湾Ralink（Ralink）RT8800芯片提供WiFi信号。RT8800是基于802.11协议的高度集成的低成本SOC芯片，可轻松进行二次开发。RT8800共有两个串行端口，DART Lite和DART Full。 RT8800的基本功能[11]：

1）高性能360MHz mips24kec CPU 核心处理器

2）USB 3.0主机/设备接口，5端口千兆交换机

3）传输速率可达15OMbps

4）兼容802.11 b/g标准

5）集成2.4GHz射频单元、802.11n基带处理器

2.2.2 ZigBee模块设计

主要作用是为外网和家庭内网之间的交互提供通信接口。智能家居系统使用ZigBee来完成家庭联网，选用的硬件是CC2530，为每个设备系统配置相应的无线节点，节点基于无线网络相连[12]。ZigBee无线模块节点包含主节点、从节点。ZigBee模块可以实时收集节点信息，并将其发送到每个主节点，或者从系统接收控制命令完成终端设备操作。ZigBee协调器基于一个串行端口，用于在数据级别与主控制器进行交互。图3显示了ZigBee网络结构图。

ZigBee网络结构包括设备地址识别模块、无线收发器、模拟无线模块、数据包过滤模块。CC2530的独特设计质量非常出色，可提供非常高质量的通信链路，出色的接收灵敏度和强大的抗干扰能力，CC2530能够采集多种数据，如湿度、温度等。

2.2.3串口模塊设计